Равновесное состояние имеет место при отсутствии внешнего напряжения (U = 0). Примем, что в рассматриваемой p-n-структуре концентрация дырок в дырочной области выше, чем в электронной (p_p>>р_n), а концентрация электронов в электронной области выше, в дырочной (n_n>>n_р), на границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда. В этом случае возникает диффузия основных носителей — электронов из n-области в p-область. Подобным же образом дырки — основные носители p-области — диффундируют во встречном направлении из p-области в n-область, ибо р_р>>р_n.  В результате этих процессов нарушается электрическая нейтральность областей полупроводника по обе стороны от контакта. Носители заряда, перешедшие через контакт, становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями той области, куда они перешли, что приводит к образованию по обе стороны от контакта слоев с малой концентрацией подвижных носителей и, следовательно, с большим сопротивлением. Слой полупроводника, в котором концентрация основных носителей оказывается уменьшенной, называется обедненным или запирающим. В пределах обедненного слоя по одну сторону от контакта в p-области образуется нескомпенсированный отрицательный пространственный заряд ионизованных акцепторов, в то время как по другую сторону контакта в n-области возникает положительный пространственный заряд ионизованных доноров. На   рис.   3.1, а   для   упрощения носители  и  атомы  примесей  показаны только в области перехода.  Это приводит к появлению контактной разности потенциалов u_к = j_n - j_р в пределах p-n-перехода (рис.3.1,г). и электрического поля (вектор напряженности Е_к) (рис.3.1,д). Причем возникшее контактное поле будет противодействовать дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей обеих областей через p-n-переход. Как  видно,  в  n — p-переходе  возникает потенциальный барьер, препятствующий  диффузионному  переходу   носителей.   На   рис. 3.1,г  изображен   барьер для   электронов,   стремящихся   за   счет диффузии перемещаться слева направо (из области п  в  область  р).  Если  бы мы   отложили    вверх    положительный потенциал, то получили  бы  изображение такого же потенциального барьера для дырок, которые стремятся диффундировать   справа   налево   (из   области p в область n). Высота   барьера  равна   контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. На рис. 3.1,в показано распределение концентрации носителей в p-n-переходе. Вместе с тем под действием поля E_K возникает дрейфовое движение через границу неосновных носителей зарядов: дырок из n-области в p-область и электронов в обратном направлении. На рис. 3.1,а такое перемещение неосновных носителей (дрейф) показано также стрелками. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное   число   электронов   и   дырок, а  под  действием  поля  столько  же  их дрейфует в обратном направлении.

Рис. 3.1. Равновесный p-n  переход: а) схема перехода; б) энергетическая диаграмма перехода; в) концентрация подвижных зарядов; г) распределение потенциала; д) напряженность поля; е) концентрация неподвижных зарядов.

Взаимная рекомбинация  подвижных  носителей в p-n-переходе происходит с такой интенсивностью , что  в любой точке слоя, обедненного подвижными носителями , будет примерное равенство: pn=n_i². Данное состояние полупроводника называется равновесным.

                                                                                                    (3.1)

Перемещение  носителей за счет диффузии — это диффузионный   ток  (I_диф),  а  движение   носителей под действием поля — ток дрейфа (I_др).

                                                                                           (3.2)

                                                                                               (3.3)

 Значения этих составляющих различны, так как   зависят   от   концентрации   и   подвижности носителей.

Определим плотность дрейфового электронного тока как  j_ηдр =r_nυ_n = —qn_pL_n/τ_n,  где r_п — средняя скорость электронов; r_n — объемная плотность заряда электронов; — диффузионная длина электронов в p-области; τ_n — среднее время жизни электронов, D_n- коэффициент диффузии электронов; следовательно,

                                                                                                      (3.4)

Электронный диффузионный ток I_{n диф} создается основными носителями n-области — электронами зоны проводимости, которые вводятся через p-n-переход в p-область полупроводника (2, рис. 3.1., б). Ток возникает благодаря тому, что концентрация электронов в n-области п_п значительно больше п_р и поэтому можно определить плотность этого тока в переходе как обусловленного диффузией:

                                                                                                         (3.5)

Ток I_{n диф} создается лишь теми электронами, которые располагаются в зоне проводимости n-области на сравнительно высоких уровнях и обладают достаточно большой энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер в p-n-переходе (заштрихованы на рис. 3.1., б). В p-области эти электроны становятся неосновными носителями заряда. Электронные токи I_{n др} и I_{n диф} в состоянии равновесия равны между собой и плотность результирующего электронного тока через переход равна нулю.  Дырочный дрейфовый ток I_{р др} создается неосновными носителями — дырками валентной зоны n-области (3, рис. 3.1., б), которые, подойдя в результате диффузионного движения к переходу, под действием ускоряющего контактного поля в нем переходят в    p-область, где становятся основными носителями. Плотность дырочного дрейфового тока

                                                                                (3.6)

Дырочный диффузионный ток I _{р диф} возникает в результате прохождения основных носителей p-области — дырок валентной зоны через переход в n-область, где они становятся неосновными носителями (4, рис. 3.1., б). Необходимо отметить, что дырки обладают более высокой энергией, если они занимают более низкий энергетический уровень в валентной зоне; чем ниже этот уровень, тем меньшее число дырок его занимает. Плотность дырочного диффузионного тока

(3.7)

Высота потенциального   барьера   всегда   устанавливается именно такой, чтобы наступило равновесие,   т. е.   диффузионный   ток   и   ток дрейфа компенсируют друг друга. В установившемся режиме, т. е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен  нулю,  что  и  должно  быть  при отсутствии внешнего напряжения.

                                                                          (3.8)

Поскольку суммарный ток равен нулю, система должна характеризоваться единым уровнем Ферми W_F (рис. 3.1, б).

В запирающем слое могут протекать процессы генерации подвижных зарядов и их  рекомбинации. Процесс рекомбинации частиц обусловлен тем, что частицы с энергией недостаточной для преодоления потенциального барьера, проникая на некоторую глубину в запирающий слой, теряют свою скорость в поле перехода  и выносятся этим полем обратно. В результате значительного времени пребывания таких частиц в запирающем слое увеличивается  вероятность их рекомбинации через ловушки и другие дефекты структуры и появляется ток рекомбинации I_рек.